автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Нагрузки и воздействие льда на морские гидротехнические сооружения

ОАО "ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГИДРОТЕХНИКИ ИМ.Б.Е.ВЕДЕНЕЕВА"

На правах рукопйси

ГЛАДКОВ МИХАИЛ ГРИГОРЬЕВИЧ С?

НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЬДА НА МОРСКИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

05. 23. 07- Гидротехническое и мелиоративное строительство

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научные консультанты : доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Д.Д.Лаппо; доктор технических наук, заслуженный строитель Д.Д.Сапегин.

Санкт-Петербург 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................. 4

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ................. 13

1.1. Состояние и перспективы освоения континентального шельфа........................ 13

1.2. Особенности проблемы взаимодействия сооружений со льдом в арктических условиях................................................................................................................. 15

1.3. Основные положения и методы определения ледовых нагрузок....................... 20

1.4. Цель и задачи исследования................................................................................ 24

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АРКТИЧЕСКОГО

ЛЬДА....................................................................................................................... 27

2.1. Соленость, плотность и пористость арктического льда...................................... 27

2.2. Кристаллическое строение арктического ледяного покрова.............................. 29

2.3. Температура и толщина арктического льда......................................................... 31

2.4. Упругость арктического льда............................................................................. 32

2.5. Пластичность арктического льда (по данным автора)........................................ 34

2.6. Теоретическая прочность и разрушение морского льда..................................... 47

2.7. Структурная модель прочности морского льда................................................... 50

2.8. Прочность арктического льда на сжатие и растяжение (по данным автора)........................................................................................................................... 51

2.8.1. Технология приготовления образцов, методика испытаний и обработка

их результатов............................................................................................ 52

2.8.2. Результаты методических опытов.............................................................. 59

2.8.3. Результаты экспериментальных исследований........................................ 61

ВЫВОДЫ................................................................................................................. 72

Глава 3. АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ ЛЕДОВОЙ НАГРУЗКИ ОТ ФОРМЫ И РАЗМЕ-. РОВ СООРУЖЕНИЯ В ПЛАНЕ, УСЛОВИЙ ЕГО КОНТАКТА СО ЛЬДОМ В РАМКАХ ТЕОРИИ ПРЕДЕЛЬНОГО РАВНОВЕСИЯ........................................ 74

3.1. Метод верхней оценки предельной нагрузки...................................................... 80

3.1.1. Функция текучести..................................................................................... 80

3.1.2. Схемы разрушения и поля скоростей........................................................ 88

3.1.3. Определение предельной нагрузки............................................................. 99

3.2. Верхние оценки предельной нагрузки для арктического льда............................ 106

3.3. Предлагаемые значения коэффициентов формы сооружения и смятия льда ... 112

ВЫВОДЫ................................................................................................................. 117

Глава 4. НАГРУЗКИ И ВОЗДЕЙСТВИЯ ЛЬДА НА СООРУЖЕНИЯ................................. 119

4.1 .Методика расчета нагрузки от ледяного поля...................................................... 121

4.2. Методика оценки нагрузки от нагромождения смерзшегося торосистого льда......................................................................................................................... 130

4.3. Границы применения методик расчета ледовых нагрузок.................................. 136

4.4. Примеры расчета ледовых нагрузок.................................................................... 139

4.5. Защита сооружений от истирающего воздействия льда..................................... 150

4.5.1. Методика лабораторных и натурных испытаний ледостойких покрытий 151

4.5.2. Результаты экспериментальных исследований покрытий......................... 155

4.6. Внедрение результатов исследования нагрузок и воздействий льда на сооружения..................................................................................................................... 157

ВЫВОДЫ................................................................................................................ 159

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................ 161

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................ 165

ВВЕДЕНИЕ

Наша страна располагает самым протяженным в мире арктическим шельфом. Ширина этого шельфа в среднем доходит до 1000 -1500 км и примерно 80% его площади считаются перспективными для добычи углеводородов [96]. Ожидается, что в XXI веке, по мере истощения пока еще значительных и сравнительно дешевых запасов нефти и газа на суше, освоение месторождений арктического шельфа станет одним из главных источников топливно-энергетической базы страны.

Важнейшей задачей освоения месторождений арктического шельфа, на решение которой нацелено внимание науки и производства, является создание новых для России типов сооружений - ледостойких нефтегазопромысловых сооружений.

Ледостойкие сооружения отличаются от обычных гидротехнических сооружений прежде всего тем, что их форма и размеры определяются ледовым режимом акватории. В условиях Арктики сооружение в течение достаточно длительного срока службы должно противостоять ледовым воздействиям разного вида, наибольшие из которых могут значительно превосходить ветровые, волновые, сейсмические и другие воздействия. Ясно, что проектирование ледостойких шельфовых сооружений невозможно без оценки наибольших воздействий льда.

Различаются следующие виды воздействия льда на сооружения [51]:

а) статическое воздействие, возникающее при формировании ледяного покрова или при его расширении вследствие резких колебаний температуры;

б) воздействие от движущегося ледяного образования (поля ровного льда или нагромождения торосистого льда);

в) истирающее воздействие от движущегося льда при плотном его соприкасании с сооружением.

В условиях арктического шельфа статическое воздействие льда, имеющее значение главным образом для сооружений большой протяженности, несущественно. Наиболее опасно воздействие от движущегося ледяного образования, особенно для отдельно стоящих сооружений. Значительным может быть истирающее воздействие льда, например, при проре-зании сооружением крупного ледяного поля.

При проектировании, строительстве и эксплуатации ледостойкого сооружения на арктическом шельфе необходимо обеспечить:

а) прочность и устойчивость сооружения с учетом наиболее неблагоприятного, но реального для расчетного случая, воздействия льда;

б) защиту сооружения от истирающего и ударного воздействий льда, оледенения, смерзания со льдом и др.

Решение указанных задач издавна привлекало к себе внимание многих отечественных и зарубежных ученых, исследователей и инженеров, предпринимавших натурные, экспериментальные и теоретические исследования вопроса. В последние десятилетия, в связи с промышленным освоением месторождений нефти и газа на шельфе Аляски и Канады, а также открытием месторождений углеводородов на арктическом шельфе России, исследования этого вопроса приняли особенно интенсивный характер.

Первые систематические исследования ледового режима Арктики проведены еще в конце девятнадцатого века адмиралом С.О.Макаровым [57] и знаменитым полярником Ф.Нансеном [158]. Обширные исследования были затем проведены известным океанологом Н.Н.Зубовым [43] и многими другими исследователями, добившимися существенных результатов. Значительную роль сыграл Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, накопивший ценнейший материал о ледовом режиме Северного Ледовитого океана.

Однако изучение ледового режима Арктики еще нельзя считать законченным, особенно в отношении районов подводных месторождений углеводородов. Так, например, крайне

недостаточны сведения о толщине, размерах ледяных полей и скорости их движения, а также о размерах и степени консолидации нагромождений торосистого льда. Мало данных о термическом режиме льда. Все эти вопросы, чрезвычайно важные для проектирования мероприятий по борьбе с ледовыми затруднениями, еще ожидают своего разрешения.

К настоящему времени выполнен значительный объем экспериментальных исследований прочности морского льда, находящейся в сложной зависимости от ряда факторов и прежде всего от кристаллической структуры, температуры и солености льда, размеров образца, скорости деформации и ориентировки нагрузки относительно оси кристаллизации. Основные результаты этих исследований обобщены в работах В.П.Вейнберга [8], К.Ф.Войтковского [14], Ю.П.Доронина и Д.Е.Хейсина [39], В.В.Лаврова [54], И.С.Песчанского [71], И.Г.Петрова [72], Б.А.Савельева [81], А.Ассура и У.Уикса [116], Т.Бутковича [121], К.Водри [183], Я.Вонга [187], ДДикинса [128], Р.Пейтона [161], Р.Фредеркинга [131], И.Шварца и У.Уикса [174], а также в рекомендациях Арктического и Антарктического научно-исследовательского института [60], Американского института нефти [112,170] и др. Однако, не смотря на многочисленность экспериментальных исследований, вопрос о механических свойствах морского льда еще нельзя считать достаточно изученным.

Массовые испытания арктического льда были предприняты- в нашей стране лишь некоторыми исследователями, в частности И.С.Песчанским [70], И.Г.Петровым [72] и автором [18-20,24,26-30,136].

Величина нагрузки от воздействия льда на сооружение является сложной функцией ряда факторов, среди которых главными можно назвать размеры и скорость движения ледяного образования, физико-механические свойства льда, размеры и форму сооружения в плане, условия контакта между льдом и сооружением.

Разработке методов определения ледовой нагрузки на морские гидротехнические сооружения в нашей стране посвящены работы В.П.Афанасьева, Ю.В.Долгополова и

З.М.Шванштейна [3], С.С.Варданяна, С.И.Рогачко и др. [46,50], С.А.Вершинина [9,10,12,185], К.Н.Коржавина [51], Д.Г.Мацкевича и К.Н.Шхинеха [58,153,154,175], Н.Г.Храпатого [101-103], В.Г.Цуприка [104] и автора [21-23,31,33,34,135]. Из зарубежных следует выделить работы Ассура [115], Бленкарна [117], Вонга и Ралстона [188], Забилянски и др. [196], Кеннеди и др. [150], Кроасдейла и др. [123], Пейтона [162, 163], Райта и Тимко [195], Тозавы и др. [180], Трюде [181], Уэссела [194], Фредеркинга и др. [132], Хираямы и др. [143], Шварца и др. [173].

Подавляющее большинство посвященных этому вопросу исследований - экспериментальные [3, 9, 10, 143, 162, 173, 177, 179, 180, 188, 194] и натурные [117, 119, 129, 132, 148, 150, 163, 168, 195, 196]. Эксперименты проводились, как правило, в ледовых бассейнах на моделях сооружений, а натурные наблюдения - на действующих сооружениях.

В результате экспериментальных и натурных исследований, в частности, установлено, что расчетным случаем для морских условий является смятие сооружением льда, движущегося со скоростью 1-10 см/с [12, 117, 163]. При этом взаимодействующий с сооружением лед разрушается пластически или хрупко-пластически [143, 163, 195]. Этот факт послужил основанием для разработки в рамках теории предельного равновесия, новых подходов к расчету ледовых нагрузок на морские гидротехнические сооружения [33]. Методы теории предельного равновесия оказались эффективным средством для анализа зависимости нагрузки от формы сооружения в плане; вида напряженно-деформированного состояния льда и условий контакта между льдом и сооружением [135].

Использовавшиеся в последние десятилетия методы определения ледовых нагрузок на гидротехнические сооружения при хрупком разрушении льда [51], обобщенные в разделе 5 "Нагрузки и воздействия льда на гидротехнические сооружения" СНиП 2.06.04-82* [87], предназначены для расчета нагрузок при скорости движения льда 0,5 м/с и более (см. примечание 3 к п.5.1* [87]).

Раздел 5 СНиП 2.06.04-82* [87] в целом мало отличается от СН-76-66 [84] и практически полностью совпадает с разделом 6 СНиП П-57-75 [86] с той лишь разницей, что переведен в систему СИ. Он в главном отражает уровень знаний в области учета ледовых нагрузок при проектировании гидротехнических сооружений конца пятидесятых - начала шестидесятых годов. Ряд положений этих норм, как справедливо отмечалось в решениях научно-технических совещаний "Лед-83" (г.Мурманск, 1983г.), "Лед-87" (г.Архангельск, 1987г.), "Лед-89" (г.Дивногорск, 1989г.), "Лед-93" (г.С.-Петербург, 1993г.) и др., не соответствует достижениям отечественной и зарубежной науки и реальным условиям морского гидротехнического строительства.

В связи с этим проблема оценки ледовых нагрузок на морские гидротехнические сооружения и нормирования таких нагрузок продолжает оставаться актуальной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение. Решение указанной проблемы применительно к условиям арктического шельфа является целью настоящего исследования.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы.

В первой главе рассмотрены состояние и перспективы освоения месторождений арктического шельфа, классификации морских гидротехнических сооружений, особенности проблемы взаимодействия сооружений со льдом в арктических условиях, основные положения и методы определения ледовых нагрузок; обоснована необходимость усовершенствования методик расчета ледовых нагрузок на морские гидротехнические сооружения и соответствующих норм; поставлены главные задачи исследования.

Во второй главе приведен обзор основных физико-механических свойств арктического льда с точки зрения потребностей морской гидротехники, где помимо литературных данных, и прежде всего работ Ю.П.Доронина и Д.Е.Хейсина [39], В.В.Лаврова [54], И.С.Песчанского [71], И.Г.Петрова [72] и Б.А.Савельева [81], используются обширные экс-

периментальные исследования автора по определению механических свойств натурного льда (в частности, пластичности, прочности на одноосное сжатие и растяжение), а также по выяснению влияния размеров образцов, скорости деформации, структуры, температуры и солености льда, ориентировки осей кристаллов и других факторов.

В третьей главе показана сущность метода верхней оценки предельной нагрузки, представлены верхние оценки предельных нагрузок, возникающих в процессе взаимодействия арктического льда с вертикальными сооружениями разной формы в плане как в условиях свободного проскальзывания между льдом и сооружением, так и при сцеплении между ними, как при плоской деформации, так и при плоском напряженном состоянии льда; рекомендованы для введения в расчеты численные значения коэффициентов формы сооружения и смятия льда, полученные по данным о верхних оценках предельной нагрузки; проведен сравнительный анализ рекомендуемых значений коэффициентов формы сооружения и Схмя-тия льда с данными К.Н.Коржавина и других авторов.

В четвертой главе предложены достаточно простая методика определения основных прочностных характеристик льда, позволяющая более полно (по сравнению, например, с разделом 5 СНиП 2.06.04 - 82* [87], ВСН 41.88 [76] и др.) учитывать случайный характер природных факторов в районе сооружения, и методика испытания арктического льда на одноосное сжатие, методики расчета нагрузок от воздействия полей ровного льда и крупных нагромождений смерзшегося торосистого льда с учетом влияния климатических особенностей района, формы сооружения в плане, вида напряженного состояния и скорости деформации льда непосредственно перед сооружением, условий на границе лед - сооружение; определены границы применения методик расчета нагрузок; даны примеры расчета ледовых нагрузок и проведено сравнение результатов расчета с рекомендациями СНиП 2.06.04 - 82* [87] и ВСН 41.88 [76] и др.; рассмотрены методика и результаты сравнительных экспериментальных (лабораторных и натурных) исследований наиболее известного зарубежного ледостойкого защитного покрытия ГКЕША - 160 и его отечественного аналога ЭП - 437.

Научная новизна исследования заключается

- в получении надежных экспериментальных данных о механических свойствах арктического льда и установлении на их основе соотношений между максимальными значениями прочности льда на одноосное сжатие и растяжение в плоскости Xу и в направлении 2, пригодных для реализации методов теории предельного равновесия при решении задач наибольшего ледового воздействия на морские гидротехнические сооружения;

- в разработке методики определения прочностной характеристики арктического льда при сжатии;

- в усовершенствовании методики расчета нагрузок от воздействия полей ровного льда и требований, регламентирующих ледовые нагрузки на морские гидротехнические сооружения;

- в уточнении значений коэффициентов формы сооружения и смятия арктического льда, во введении в расчеты коэффициента скорости деформации льда;

- в получении надежных экспериментальных данных об адгезионных и фрикционных свойствах, стойкости к ударному воздействию и истиранию льдом для наиболее известного зарубежного защитного покрытия ШЕЛТА -160 и его отечественного аналога ЭП - 437.

Результаты исследований внедрены:

в раздел 5* нового нормативного документа [89];

в проектную и научно-техническую документацию ЦНИИпроектстальконстукц